陈忠伟/王新/张永光，最新AM！

单原子催化剂（SAC）由于其在原子级反应机制和结构-活性关系中的出色适用性，为提高锂硫（Li-S）电池硫电极的利用效率开辟了新的可能性。

在此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士、华南师范大学王新研究员及河北工业大学张永光教授等人报道了将均匀分散在有序N掺杂碳纳米管阵列（ZnN₄-NC）上的具有短原子间距（< 1nm）的高负载Zn SAs作为硫主体，通过协同增强效应加速整个多硫化锂（LiPSs）转化过程的氧化还原动力学。

研究表明，由碳纳米管阵列组成的立方体不仅可有效承载硫并缓解循环过程中硫的体积膨胀，还可为Li-S电池在高硫负载条件下的快速传质提供丰富的通道。此外，大量Zn SAs均匀分散在碳纳米管基底中，相邻单个原子之间的距离为0.4~0.8 nm。高负载Zn SAs提供了足够的活性位点（金属负载≈8.3 wt%），可促进多硫化物在高硫负载下的转化。

图1. S@ZnN₄-NC的合成过程及表征

因此，S@ZnN₄-NC正极在0.2 C时具有1225.3 mAh g^-1的高初始容量和99% 的高硫利用率，明显优于S@NC和S@ZIF-7正极（初始容量分别仅为1051.2和964.1 mAh g^-1）。同时，S@ZnN4-NC正极在1 C下循环500次后仍保持778.4 mAh g^-1的高比容量，具有最佳的循环稳定性。即使在7.2 mg cm^-2的高硫负载（E/S = 3.7 mL g^-1）下，该硫电极在100次循环后仍可提供5.6 mAh cm^-2的高面积容量。

此外，作者还组装了硫负载量为2.3 mg cm^-2的Li-S软包电池，该电池在0.1 C下循环100次后表现出953.4 mAh g^-1的高比容量。经计算，该电池循环100次后对应的体积容量为92 Wh L^-1，能量密度为31 Wh kg^-1，具有良好的应用前景。总之，这项研究首次将高负载SAC中的位点间距效应应用于Li-S电池，为Li-S电池催化剂的设计提供了新的方向。

图2. S@ZnN₄-NC的电化学性能

Single Zinc Atom Aggregates: Synergetic Interaction to Boost Fast Polysulfide Conversion in Lithium-sulfur Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202208470

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